KIT: Szenarien für eine neue „Eisenzeit“: Eisen ergänzt Wasserstoff als Energieträger

(WK-intern) – Ob Windenergie aus Küstenregionen oder Sonnenstrom aus Wüstengebieten – Eisen könnte künftig als transportabler Energieträger dienen, um diese erneuerbaren Energien weltweit nutzbar zu machen.

„Das funktioniert in einem Kreislauf ohne Kohlendioxidemissionen oder umweltschädliche Substanzen“, sagt Julia Schuler vom Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP) des KIT.

Zur Energiegewinnung wird Eisenpulver verbrannt. Zurück bleibt Eisenoxid, also Rost. Dieses wird anschließend mithilfe von erneuerbarem Wasserstoff wieder zu Eisen reduziert, wobei der enthaltene Sauerstoff entfernt wird. Das Eisenpulver eignet sich für eine erneute Nutzung. „Eisenpulver verhält sich in der Feuerung ganz ähnlich wie Kohle. Daher stellt sich in der Forschung die Frage, ob sich bestehende Kohlekraftwerke auf Eisenfeuerung umrüsten lassen“, so Schuler. Anpassungen wären vor allem im Wärmeerzeuger notwendig, weitere Kraftwerksbestandteile wie Dampfkreislauf, Turbinen, Generator und Netzanschluss könnten in diesem Konzept weiterverwendet werden.

Eisenkreislauf ergänzt die Wasserstoffwirtschaft

Aufbauend auf Erkenntnissen aus dem Forschungsprojekt „Clean Circles“ zum Thema Eisenkreislauf untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT nun in einer von der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg geförderten Studie, wie sich der Eisenkreislauf zur Stromerzeugung in einem klimaneutralen europäischen Energiesystem einsetzen lässt. Dazu erweiterten sie ein etabliertes Energiesystemmodell (PERSEUS) um die Option zur Umrüstung von Kohlekraftwerken, um Reduktionsanlagen sowie Speicher- und Transportwege. Mithilfe des erweiterten Modells optimierten sie anschließend die Entwicklung des europäischen Energiesystems bis 2050. Dabei konkurrierte der Eisenkreislauf mit anderen Technologien wie Batterien, Wasserstoffspeichern und Wasserstoffkraftwerken.

Die Ergebnisse zeigen: Eisen ersetzt die wasserstoffbasierte Stromerzeugung nicht, kann diese aber in einem klimaneutralen Energiesystem sinnvoll ergänzen. Insbesondere als Langzeitspeicher bietet Eisen Vorteile. Das Pulver lässt sich vergleichsweise einfach lagern und transportieren, während für den Einsatz von Wasserstoff ein aufwendiges Netz aus Pipelines, Importterminals und Untergrundspeichern notwendig ist. Mit Eisenpulver ließe sich erneuerbare Energie auch global mit geringerem infrastrukturellem Aufwand transportieren. Gleichzeitig könnten lokale Reduktionsanlagen Stromüberschüsse in Europa über den Zwischenschritt der Wasserstoffproduktion in Eisenpulver als speicherbaren Energieträger umwandeln.

In den Simulationen erwiesen sich mit Eisenpulver befeuerte Kraftwerke als besonders attraktiv in Ländern mit begrenzten Möglichkeiten zur Wasserkraftnutzung oder zur unterirdischen Speicherung von Wasserstoff. In solchen Regionen kann Eisen dazu beitragen, Versorgungslücken während längerer Phasen geringer Stromerzeugung aus Wind- und Solaranlagen zu überbrücken. Gleichzeitig entlastet es die Wasserstoffinfrastruktur, etwa wenn Importkapazitäten oder Transportleitungen an ihre Grenzen stoßen. Wegen seiner vielen Kohlekraftwerke ist das Potenzial auch in Deutschland besonders hoch. Turbinen, Netzanschlüsse, Wärmenetze und weitere Teile der Infrastruktur könnten erhalten bleiben.

Mit dem Eisenkreislauf Kosten senken

Die Forschenden bewerteten es als ermutigendes Signal für die Weiterentwicklung der Technologie, dass die mit Eisenpulver befeuerten Kraftwerke über alle betrachteten Szenarien hinweg Bestandteil eines kostenminimalen Energiesystems waren. „Eisen könnte zukünftig eine spezifische, aber ökonomisch sinnvolle Rolle dabei spielen, Klimaneutralität zu erreichen und erneuerbare Energien zuverlässig verfügbar zu machen“, sagt Schuler. Ob tatsächlich eine neue „Eisenzeit“ anbricht, hängt maßgeblich davon ab, wie aufwendig die Umrüstung bestehender Kraftwerke ist und wie effizient sich Eisenoxid künftig wieder zu Eisen reduzieren lässt. (mhe)

PM: KIT

PB: Eisenstaubflamme im Labormaßstab. Aufnahme aus Darstellungsgründen um 90 Grad gedreht. (Janik Hebel, TU Darmstadt)